(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空室内で回転するマグネトロンを用いて基板に成膜する方法であって、基板の運搬方向にマグネトロンに沿って基板を通過させて、マグネトロンと接続されたターゲットから放出される材料を用いて、その材料を真空室内に有る反応ガスと反応させて、成膜する方法において、
ターゲットが回転しているチューブ式マグネトロンと他方の電極の間にターゲット電圧を印加する成膜プロセスの動作点の制御が、ターゲットの回転によって引き起こされる第一のプロセスパラメータの周期的な変化を第二のプロセスパラメータの所定の大きさの周期的な変化によって補正するように行われることを特徴とする方法。
【請求項２】
ターゲットの回転によって引き起こされる第一のプロセスパラメータの周期的な変化を第二のプロセスパラメータとしてのターゲット電圧Ｕの＋ΔＵ〜−ΔＵの周期的な変化によって補正し、この変化ΔＵの絶対値｜ΔＵ｜がターゲット電圧Ｕの絶対値｜Ｕ｜よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第一のプロセスパラメータとして、反応ガスの発光スペクトルの有意なラインの強度を使用することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
第一のプロセスパラメータとして、適切なセンサーを用いて測定した反応ガスの分圧を使用することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
ターゲット電圧を直流電圧又は交流電圧とすることを特徴とする請求項２から４までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
ターゲット電圧Ｕの変化の周期をターゲットの回転と一致させることを特徴とする請求項２から５までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
ターゲット電圧を正弦形状に変化させることを特徴とする請求項２から６までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
ターゲット電圧を正弦形状と異なる形状で変化させることを特徴とする請求項２から６までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
電圧制御部を用いて制御する電圧として、ターゲット電圧を印加するとともに、反応ガス流量の制御に対して、チューブ式マグネトロンから受け取る電力を一定に保持することを特徴とする請求項２から６までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１０】
当該の周期的な電圧の変化を電圧制御部の制御入力の変化によって発生させることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ターゲットの回転によって引き起こされる第一のプロセスパラメータの周期的な変化を第二のプロセスパラメータとしての全圧の周期的な変化によって補正することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
第一のプロセスパラメータとして、反応ガスの発光スペクトルの有意なラインの強度を使用することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
第一のプロセスパラメータとして、適切なセンサーを用いて測定した反応ガスの分圧を使用することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
ターゲットの回転によって引き起こされる第一のプロセスパラメータの周期的な変化を第四のプロセスパラメータの所定の大きさの周期的な変化によって補正するか、ターゲットの回転によって引き起こされる第三のプロセスパラメータの周期的な変化を第二のプロセスパラメータと第四のプロセスパラメータの一方又は両方の所定の大きさの周期的な変化によって補正するか、或いはその両方の補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
第一又は第三のプロセスパラメータとして、適切なセンサーを用いて測定した反応ガスの分圧、或いは反応ガスの発光スペクトルの有意なラインの強度又は二つのラインの強度の比率を使用することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
第二又は第四のプロセスパラメータとして、ターゲット電圧又は全圧を使用することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも互いに異なる回転数で駆動される少なくとも二つのマグネトロンを使用することを特徴とする請求項１から１６までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１８】
二つのマグネトロンを互いに逆向きの回転方向に駆動することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空室内で回転するマグネトロンを用いて基板に成膜する方法であって、基板の運搬方向にマグネトロンに沿って基板を通過させて、マグネトロンと接続されたターゲットから放出される材料を用いて、場合によっては、その材料を真空室内に有る反応ガスと反応させて、成膜する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
反応性スパッタリングを用いて膜を作ることが知られている。その場合、高真空内でターゲットに電圧を、通常は極性が交番する電圧を印加する。そのターゲットに磁場を加え、それによって、高真空とターゲット電圧によって得られるスパッタ効果を実現又は促進している。ターゲットと磁場発生器の組合せは、マグネトロンと呼ばれており、そのため、そのようなスパッタリングは、マグネトロン式スパッタリングと呼ばれる。
【０００３】
ここで、プロセス空間内には、ターゲット材料と化学的に反応するガスが所定の通り導入される。そして、反応生成物が基板の表面上に堆積する。それは、反応性スパッタリングと呼ばれる。反応ガスとして酸素を導入することによって、例えば、酸化物の膜が形成される。即ち、そのような反応性スパッタリングによって、例えば、ＺｎＯ：ＡｌターゲットからＺｎＯ：Ａｌ膜を作ることが可能である。
【０００４】
実際には、所謂チューブ式マグネトロンの有効性が実証されている。その場合、チューブ形状のターゲット（チューブ式ターゲット）が配備され、その内側の空洞内には、磁場発生器又は磁石システムが配置されている。スパッタリング過程では、チューブ式ターゲットは回転しており、その結果、それは絶えず定常的な磁場の周りを回転する。それによって、ターゲットの表面全体を常にスパッタリングプロセスに使用することができる。即ち、平板状のターゲットのように、ターゲットの消費が異なる、或いはターゲットの酸化が異なるゾーンが形成されることはない。それによって、特に、ターゲットを均等にスパッタリングに使用して、それにより、より良好なターゲットの消費が実現されることを保証している。
【０００５】
チューブ式マグネトロンは、通常インライン真空成膜設備に採用されている。それは、基板運搬システムを備えた長く延びる真空設備であり、その基板運搬システムを用いて、基板は、様々な処理ステーション、特に、チューブ式マグネトロン成膜ステーションも通過するように、真空成膜設備を通して動かされる。
【０００６】
しかし、そのようなチューブ式マグネトロンは、決して完全な円筒形に製造、構成することはできない。そのことは、実際の使用時において、ちょうど磁石システムの上に有るターゲットの表面に磁場の変動を引き起こすこととなる。それと関連して、動作点が変動する。
【０００７】
ここで、動作点とは、複数のプロセスパラメータに依存する多次元の電流対電圧特性曲線群の中の一つ曲線上の点であると解釈する。膜の所定の品質を達成するために、動作点を置くべき所定の目標点又は目標領域が特性曲線群内に規定される、即ち、一般的には、膜の達成すべき最適特性が実現されるように動作点を設定する。
【０００８】
特に、反応性プロセスでは、特性曲線群に対するプロセスパラメータの影響は特に大きいか、或いは一義的ではなく、それは、飛躍又はヒステリシスの形で表される。そのことは、インピーダンスにおける最小限の変動を引き起こす磁場の最小限の変動が動作点の大きな変動を発生させることとなる。
【０００９】
ここで、動作点の変動の結果、特に、反応性スパッタリングでは、基板上の膜の特性が運搬方向に沿って変動するとともに、最適特性が稀にしか達成されないこととなる。膜の特性のパラメータは、例えば、析出された膜の透過性及び抵抗とすることができる。ここで、動作点が変動すると、基板を通過させた場合に、決して最適な透過性も抵抗も実現できない混合膜が析出されることとなる。例えば、チューブ式マグネトロンによるＺｎＯ：Ａｌ膜の反応性製造時に、満足できない程の透過性を克服することは、これまで不可能であった。
【００１０】
そのようなプロセスを実施する場合、動作点を出来る限り一定に保持する。そのための制御方法、例えば、本出願人が開発したプラズマエミッションモニタリング（ＰＥＭ）法又は電圧を一定に制御した形の反応ガス供給部を用いた電力制御法が知られている。
【００１１】
この電力制御法では、ターゲット電圧を供給するために用いる電源部を電圧を制御した形で動作させて、反応ガス流量、特に、酸素流量に対する所望の電力を設定している。ここで、チューブ式マグネトロンを使用している場合、チューブを回転している間に、ターゲットの表面における磁力線を変化させることによって、反応ガス流量、特に、酸素流量に追従制御できる一方、電力を極めて一定に保持することができる。
【００１２】
しかし、反応ガス流量の制御には、別の変量の変化も関連しており、ＺｎＯ：Ａｌ膜を作る場合には、発光スペクトルにおけるＺｎラインの強度が関連する。それは、電圧と電力を非常に良好に一定にしても、チューブの回転によって、動作点が変動して、前述した悪い特性と密接に関係する混合膜が生じることとなる。
【００１３】
例えば、所定の抵抗に設定する場合、それは、膜内の高抵抗の成分によって決まる。そのため、膜全体において、固有抵抗の限界値を下回らなければならない。しかし、回転は、膜の一部を高抵抗に析出させても、チューブが更に回転すると、別の一部を低抵抗に析出させてしまうこととなる。
【００１４】
即ち、動作点をチューブの回転に追従させなければならず、それは、酸素流量と電力の制御だけでは成功しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
そこで、本発明の課題は、ターゲットの回転に対して、基板上の膜の均質性を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本課題は、請求項１の特徴を有する方法によって解決される。請求項２〜１６は、その方法の実施形態を提示している。
【００１７】
本方法では、ターゲットの回転によって引き起こされる第一のプロセスパラメータの周期的な変化を第二のプロセスパラメータの所定の大きさの周期的な変化によって補償するように、ターゲットが回転しているチューブ式マグネトロンと他方の電極の間にターゲット電圧を印加することによって、成膜プロセスの動作点を制御するものと規定する。
【００１８】
詳しく言うと、ターゲット電圧の制御によって、第一のプロセスパラメータと独立した第二のプロセスパラメータによる第一のプロセスパラメータの時間変化の補正が可能であることが分かった。
【００１９】
本発明による方法の第一の変化形態では、ターゲットの回転によって引き起こされる第一のプロセスパラメータの周期的な変化をターゲット電圧Ｕ（第二のプロセスパラメータ）の＋ΔＵ〜−ΔＵの周期的な変化によって補償するものと規定する。
【００２０】
この場合、特に、その変化ΔＵの絶対値｜ΔＵ｜をターゲット電圧Ｕの絶対値｜Ｕ｜よりも小さいものとすることができる。
【００２１】
第一のプロセスパラメータとして、発光スペクトルの有意なラインの強度を用いることができる。
【００２２】
別の可能性は、第一のパラメータとして、反応ガスの分圧を用いるものと規定する。
【００２３】
本方法は、電圧が直流電圧又は交流電圧である二つの形式のターゲット電圧を用いることが可能である。
【００２４】
有利な手法では、ターゲット電圧Ｕを変化させる周期をターゲットの回転と一致させることによって、第一のプロセスパラメータの周期的な変動を補償し、その場合、第一のプロセスパラメータを変化させる形態に応じて、ターゲット電圧を正弦形状又は正弦形状と異なる形状で変化させることができる。
【００２５】
本発明による方法の別の実施形態では、本来の実施構成を安定化させるために配備されている従来から用いられていた電圧源の制御手法を活用することとして、そのような電圧制御部を用いて制御される電圧として、ターゲット電圧を印加するとともに、反応ガス流量の制御に対して、チューブ式マグネトロンから受け取る電力を一定に保持するものとする。
【００２６】
それによって、電圧制御部の制御入力を変化させることによって、周期的な電圧の変化を発生させることが可能である。
【００２７】
本発明による方法の別の実施形態では、ターゲットの回転によって引き起こされる第一のプロセスパラメータの周期的な変化を全圧（第二のプロセスパラメータ）の周期的な変化によって補償するものと規定する。
【００２８】
この場合、第一のプロセスパラメータとして、発光スペクトルの有意なラインの強度又は反応ガスの分圧を用いることができる。
【００２９】
しかし、本発明による方法では、別のプロセスパラメータを一緒に考慮して、ターゲットの回転によって引き起こされる第一のプロセスパラメータと第三のプロセスパラメータの一方又は両方の周期的な変化を第二のプロセスパラメータと第四のプロセスパラメータの一方又は両方の所定の大きさの周期的な変化によって補正することも可能であり、その場合、第一又は第三のプロセスパラメータとして、反応ガスの分圧、或いは発光スペクトルの一つの有意なラインの強度又は二つのラインの強度の比率を用い、第二又は第四のプロセスパラメータとして、電圧又は全圧を用いることができる。
【００３０】
本課題は、請求項１７の特徴を有する方法によっても解決される。請求項１８と１９は、その方法の特に有利な実施形態を提示している。
【００３１】
それらの方法では、周期的な変動を均すために、少なくとも互いに異なる回転数で駆動される少なくとも二つのマグネトロンを使用するものと規定する。そのような均す作用は、二つのマグネトロン７を互いに逆向きの回転方向で駆動することによって、更に強化することもできる。
【００３２】
本発明による二つの方法を互いに組み合わせた場合、特に優れた作用を奏する。
【００３３】
以下において、実施例に基づき本発明を詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】マグネトロンが円筒形に構成された真空室の模式図
【図２】従来技術による発光スペクトルのＺｎライン強度の時間変化図
【図３】本発明による方法を使用した場合の発光スペクトルのＺｎライン強度の時間変化図
【図４】周期的な補償関数を自動的に計算するためのアルゴリズムのフロー図
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１は、従来技術であり、真空ポンプ２と接続された真空室１を図示している。更に、真空室１は、真空室１へのガス流量を制御するための制御入力４を有するガス源３と接続されている。真空室１は、長く延びる真空成膜設備の一部であり、その設備を通して、基板５が長手方向、そのため運搬方向６に動かされる。それは、流れ作業で複数の基板５を処理する役割を果たしている。この場合、異なる手法で基板５を処理することができる。ここでは、成膜の処理工程を問題とする。
【００３６】
基板５の成膜のために、端受け部８に軸支されて、それによって回転方向９に回転するように駆動される少なくとも一つの円筒形のマグネトロン７が配備されている。マグネトロン７の外側に有るターゲット１０をスパッタリングのために放出して、（場合によっては、ガス源３から導入される反応ガスと反応させて）基板５上に析出させるために、ターゲット１０にターゲット電圧ＵT を印加する。そのために、ターゲット１０は、（通常はマグネトロン７を介して）電圧源１１と接続されている。この電圧源は、電圧制御入力１２を備えた内部電圧制御部を有する。電圧制御入力１２に印加される制御電圧ＵStは、供給されるターゲット電圧ＵT としての電圧源１１の出力電圧の大きさを決定する。電圧制御入力１２での制御電圧ＵStの電圧値が一定である場合、ターゲット電圧ＵT は、高い精度で一定に保持される。
【００３７】
ターゲット電圧ＵT は、異なる形式として、異なる形態で印加することができる。そのため、ターゲット電圧ＵT を直流電圧として供給することが可能であり、その場合、パルス状の直流電圧として直流電圧を発生させることもできる。単一のマグネトロン７だけを配備している場合、ターゲット電圧ＵT は、カソードとしてのマグネトロン７とアノードとしての真空室１又は別個のアノードの間に印加される。
【００３８】
しかし、ターゲット電圧ＵT として交流電圧を単一のマグネトロン７に加えることもでき、その場合、同じく真空室１は、他方の電極として動作するか、或いは他方の電極を別個に配備することができる。
【００３９】
図１に図示されている通り、二つのマグネトロン７を使用する場合、単一のマグネトロンに関して前述したのと同様に、それぞれ直流電圧又は交流電圧をターゲット電圧ＵT として、各マグネトロンを動作させることができる。しかし、二つのマグネトロン７の間に交流電圧としてのターゲット電圧ＵT を印加することも可能である。それは、有利な変化形態であり、その場合、交流電圧は、周波数が通常１ｋＨｚと数ｋＨｚの間に有る平均周波数の交流電圧として構成される。本発明によるターゲット電圧ＵT の制御は、ここで述べたマグネトロンの全ての駆動形態及び電圧形態に対して適用することが可能である。
【００４０】
図２は、ターゲット１０が回転している場合の従来技術によるプロセスパラメータの一般的な時間変化を図示している。この例では、ガス源３からの反応ガスとして、酸素を使用しており、そのガス流量を制御入力４を用いて制御している。従って、反応ガス（酸素）の分圧を観察している。しかし、この場合、前に説明した通り、例えば、有意なスペクトルラインの強度などの別のプロセスパラメータ又は異なるプロセスパラメータの組合せを使用することもできる。そこで、ＺｎＯ：Ａｌを析出させる場合、例えば、発光スペクトルにおける６３６ｎｍのＺｎラインの強度を観察することもできる。
【００４１】
明らかに、酸素の分圧の平均値１３は、図示された時間間隔に渡って変化している。それは、ターゲット電圧ＵT を一定に保持している場合に、酸素の供給に対して、電力を一定に保持していることから起こっている。そのことは、酸素の分圧を変動させており、図１で平均値１３が変動していることから確認できる。それは、標準的なプロセスの時間変化である。
【００４２】
酸素の分圧が非常に短い周期で非常に大きく変化していることが決定的に重要である。それは、酸素の分圧が平均値１３の周りを非常に速く変動する曲線１４として確認でき、ターゲット１０が回転していることによって、プロセスの時間変化が異なることを表している。酸素の分圧の短い時間での変動に関する曲線１４の周期は、円筒形のターゲット１０の回転と一致している。この酸素の分圧の大きな変動は、同時に動作点の大きな変動も表し、それは、時間の経過と共に膜の異なる析出を引き起こす。
【００４３】
ここで、冒頭に述べた通り、成膜設備内でマグネトロン７に沿って基板５を動かした場合、異なる膜領域が生じ、それは、縞模様の外見を発生させることが有る。即ち、そのようにして作った膜は、全面に渡って均質ではない。
【００４４】
そこで、本発明による第一の方法では、ターゲット電圧ＵT に関する電圧制御部の制御入力１２を使用して、その制御入力１２を相応に操作することによって、電圧源１１の出力電圧を変化させる。それに対応して、これまで一定に保持されていたターゲット電圧ＵT を制御する。
【００４５】
この場合、電圧供給部の出力電圧、即ち、供給されるターゲット電圧ＵT を大きさΔＵの一定の周期で周期的に増減させる。ここで、電圧を変化させる大きさΔＵと周期を変えることによって、ターゲット電圧を周期的に変化させて、ターゲットの回転によって引き起こされる動作点の変動を低減又は完全に解消することができ、それは、図３の酸素の分圧の時間変化における約２，０００秒以降の時間領域で明らかに分かる。その時間領域では、図１に対して述べた通りのプロセスの標準的な時間変化において、酸素の分圧が、軽微な「ノイズ」を除いて僅かしか変化していない。
【００４６】
本発明による方法を制御方法として考察すると、この場合の制御量は、酸素流量の周期的な変化の振幅であり、制御変数は、ターゲット電圧ＵT を変調する振幅、周期及び位相である。この場合、本発明には、制御量又は制御変数として、それら以外のプロセスパラメータも含まれることに留意すべきである。既に述べた制御量の可能性の外に、制御変数として、例えば、反応ガス流量、全圧又はそれらと同様の変数も使用することが可能である。
【００４７】
図３では、制御が効果を表す前の時間領域において、大きな変動幅での大きな変動が確認できる。それは、変動の節目での振幅で確認できる通り、その時間領域の間に確かにΔＵの大きさは正しく調整されていたが、電圧変化ΔＵの周期は正しく調整されていなかったことから起こったものである。そして、ターゲット電圧の変動周波数を一つ又は複数のチューブ式ターゲット１０の回転周波数と同期させることによって、その右側の分圧の時間変化が達成されており、それにより、膜の析出における十分な均質性を達成することができている。
【００４８】
この実施例では、ターゲット電圧の正弦形状の変調による酸素分圧の変動の補償を自動的に誘導することを説明した。その変調は、振幅、周波数及び位相の三つのパラメータを特徴とする。その場合、周波数は、一つ又は複数のターゲット１０の回転数から得られる。それは、例えば、回転数の測定又はマグネトロン７の駆動部の動作パラメータからの回転数の導出によって行うことができる。補償するための変動の振幅と位相のパラメータを絶えずその時々の状態に適合させている。それは、酸素の分圧が変動する振幅を求めることによって行われる。補償するための変動の複数の周期の中の一つの時間長に関する振幅が最大値を上回った場合、振幅と位相を新たに計算しなければならない。
【００４９】
その計算は、図４に図示されている通り、先ずは補償の無い場合に起こる酸素分圧の変動をその時間の変動分と補償するための変調分とから計算することによって行われる。その変動から、レーベンバーグ・マルカートアルゴリズムを用いて、新たな振幅と新たな位相を計算する。それらの新たに算出されたパラメータを使用するとともに、新たな条件によって変調したデータに基づき新たな調査が行われるまで、新たな調査を回避している。最初の操業開始過程は、変調の振幅と位相を０に設定して、アルゴリズムがテスト基板を用いてパラメータ自体を決定するように行われる。
【００５０】
前述した問題は、特に、単一のマグネトロン７を配備しているか、或いは回転方向９が同じ向きで回転数が同じである二つのマグネトロン７を配備していることによっても引き起こされる。そこで、そのような場合に、前述した少なくとも回転数が互いに異なる少なくとも二つのマグネトロンを使用するとの本発明による同問題の第二の解決法が得られる。それによって、二つのマグネトロン７が異なる回転数を有し、そのため最早変動過程が加算されなくなるので、図２に図示された曲線１４の周期的な変動を均すことができる。それは、二つのマグネトロン７の回転方向を互いに逆向きにすることによっても一層促進される。
【００５１】
本発明の特に目的に適う手法では、制御量として観察しているプロセスパラメータを測定して、それと逆向きにターゲット電圧ＵT を追従制御することによって、二つの方法を互いに組み合わせることができ、その場合、二つのマグネトロン７の回転数は互いに異なる。そして、異なる回転数によって起こる観察しているプロセスパラメータの（小さくなり、最早正弦形状ではない）変動は、そのように構成された制御によって、ほぼ完全に解消される。
【符号の説明】
【００５２】
１    真空室
２    真空ポンプ
３    ガス源
４    ガス源の制御入力
５    基板
６    長手方向及び運搬方向
７    マグネトロン
８    端受け部
９    回転方向
１０    ターゲット
１１    電圧源
１２    電圧制御入力
１３    平均値
１４    曲線
ＵT     ターゲット電圧
ＵSt    制御電圧
【図１】
0005599459.tif 000002
【図２】
0005599459.tif 000003
【図３】
0005599459.tif 000004
【図４】
0005599459.tif 000005